鈦酸鋁-氧化鋁復(fù)相陶瓷及其梯度材料的制備與性能評價.pdf

1、鈦酸鋁(Al2TiO5)具有接近于零的熱膨脹系數(shù)、低導(dǎo)熱系數(shù)、高熔點、耐腐蝕和良好的抗熱沖擊性等一系列優(yōu)異性能，是目前已知低熱膨脹系數(shù)材料中耐高溫性能最好的材料之一，因而在高溫耐火材料中的應(yīng)用越來越廣泛。但是Al2TiO5存在中溫分解和力學(xué)強(qiáng)度低兩大缺點，限制了它的應(yīng)用范圍。本文針對Al2TiO5在應(yīng)用過程中的實際困難，通過采用MgO和Fe2O3作為添加劑，使其與Al2O3反應(yīng)生成MgTi2O5和Fe2TiO5，并與Al2TiO5形成固

2、溶體，抑制Al2TiO5的中溫分解；并通過Al2TiO5與Al2O3的復(fù)合，制備出力學(xué)強(qiáng)度顯著改善、抗熱震性能優(yōu)良的Al2TiO5/Al2O3復(fù)相陶瓷；在此基礎(chǔ)上通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱應(yīng)力計算，首次提出采用Al2TiO5/Al2O3梯度結(jié)構(gòu)，拓寬其在抗熱震性能方面的應(yīng)用。
　　 首先，確定了在合適條件下實驗制備出中溫穩(wěn)定的Al2TiO5陶瓷粉體，通過計算Al2TiO5粉體合成反應(yīng)的熱力學(xué)判據(jù)，測定Al2TiO5系列固溶體的晶格常數(shù)，測

3、試Al2TiO5系列固溶體粉體的物相組成和熱穩(wěn)定性，Al2TiO5陶瓷的相對密度、物相組成和顯微結(jié)構(gòu)，并對材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、抗熱震性能進(jìn)行表征。研究表明，添加劑MgO和Fe2O3的適量引入不但可以有效地抑制Al2TiO5的中溫分解，還可以顯著提高Al2TiO5的燒結(jié)致密度。隨固溶含量的增加，Al2TiO5的熱穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，當(dāng)MgTi2O5和Fe2TiO5的固溶含量分別達(dá)到或超過5mol％和4mol％時，Al2TiO5經(jīng)1100

4、℃保溫50小時仍不發(fā)生熱分解。另外，隨固溶含量的增加，Al2TiO5基復(fù)相陶瓷的相對密度增加。
　　 其次，為進(jìn)一步提高Al2TiO5陶瓷的力學(xué)強(qiáng)度，通過引入第二相Al2O3，采用常壓燒結(jié)技術(shù)制備了Al2TiO5Al2O3復(fù)相陶瓷。對Al2TiO5/Al2O3復(fù)相陶瓷的燒結(jié)機(jī)理進(jìn)行了研究并對Al2TiO5/Al2O3復(fù)相陶瓷的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱學(xué)性能、抗熱震性能和抗鋁液浸滲性能進(jìn)行了表征。研究表明：Al2TiO5/

5、Al2O3復(fù)相陶瓷的燒結(jié)機(jī)理為固相燒結(jié)；隨Al2O3含量的增加，Al2TiO5/Al2O3復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度和彈性模量增大。當(dāng)Al2O3的含量大于60vol.％時，斷裂過程中熱應(yīng)力迅速增大，應(yīng)變很小，斷裂過程基本呈脆性特征；當(dāng)Al2O3體積含量小于60vol.％時，復(fù)相陶瓷中的微裂紋開始增多，應(yīng)力繼續(xù)增加，微裂紋的擴(kuò)展顯著，致使其應(yīng)變增大。Al2TiO5/Al2O3復(fù)相陶瓷的熱膨脹系數(shù)為0.2～7.5×106/℃，且隨Al2O3含量的增

6、加而增大。隨Al2O3含量的增加，Al2TiO5/Al2O3復(fù)相陶瓷的熱膨脹率逐漸變大。而當(dāng)Al2O3含量為20vol.％時，Al2TiO5/Al2O3復(fù)相陶瓷的殘余強(qiáng)度最高，經(jīng)過熱震后其殘余強(qiáng)度高于熱震前的力學(xué)強(qiáng)度。隨Al2O3含量的增加，Al2TiO5/Al2O3復(fù)相陶瓷的抗熱震性能明顯降低。隨Al2O3體積含量的增大，Al2TiO5/Al2O3復(fù)相陶瓷的熱震參數(shù)R1和R2減小，Al2O3含量為20vol.％的Al2TiO5/Al2

7、O3復(fù)相陶瓷具有最好的抗熱震性。Al2O3含量較小時，Al2TiO5/Al2O3復(fù)相陶瓷具有良好的抗鋁液浸滲性能，但當(dāng)Al2O3含量為90vol.％時，出現(xiàn)明顯的滲鋁現(xiàn)象。
　　 在中溫穩(wěn)定的Al2TiO5陶瓷和Al2TiO5/Al2O3復(fù)相陶瓷的基礎(chǔ)上，提出熱應(yīng)力緩和的梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用有限元方法對殘余應(yīng)力進(jìn)行計算，得到最優(yōu)的梯度材料分布指數(shù)P，然后根據(jù)P值制備Al2TiO5/Al2O3梯度材料，測試材料的相對密度、物相組成和